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2024.01
學術動態
物理系學者卜宏毅參與跨國觀測 證實M87黑洞持續存在
M87黑洞最新影像 證明黑洞暗影持續存在
 
「事件視界望遠鏡」1月18日公開M87黑洞最新影像,這是由臺灣主導的「格陵蘭望遠鏡」加入後,再次進行觀測的成果,臺灣師範大學物理學系卜宏毅助理教授也是團隊重要成員之一,負責分析統計相關數據,不僅驗證黑洞持續存在,其直徑不變也符合廣義相對論理論。
 
「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)國際合作團隊首度公布2018年4月觀測到的M87星系中心黑洞最新影像,驗證黑洞光環與2017年所觀測的大小相同,符合廣義相對論的預測,而環的最亮處位置明顯偏轉,與理論預測黑洞周圍紊流的變異性一致。這是由臺灣主導的「格陵蘭望遠鏡」(Greenland Telescope,簡稱 GLT)加入EHT後,對此天體進行再次觀測的研究成果,已發表在國際期刊《天文與天文物理》(Astronomy & Astrophysics)。臺灣團隊成員包括中央研究院天文及天文物理研究所、國立臺灣師範大學與國立中山大學,展現頂尖的天文觀測實力。
 
事件視界望遠鏡2024年1月18日釋出了M87黑洞的最新影像(右圖),影像是根據2018年4月的觀測數據製作的,距離2017年4月的首次觀測(左圖)相距一年。在這兩幅影像中,黑洞暗影持續存在,而黑洞周遭的樣貌亦隨時間有所變化,都符合廣義相對論的理論預測。
 
透過重複觀測 檢驗廣義相對論
 
中研院天文所副研究員淺田圭一表示,任何科學重大發現的基本要求,是要能重現關鍵的結果。此次GLT 參與 EHT觀測,以全新的資料證實M87黑洞周圍的光環,是此國際合作計畫的重要里程碑。
 
EHT團隊於2017年拍攝到M87星系超大質量黑洞,並於2019年發表人類史上首張黑洞影像¬。影像顯示,距離地球5,500萬光年的M87黑洞周圍有一個亮環,其中環的底部比較亮。後續分析資料更揭示了M87黑洞的偏振光結構,使團隊得以深入了解黑洞周圍的磁場幾何形狀和電漿性質。
 
2017年M87黑洞觀測結果被廣泛分析,為黑洞直接成像的時代開啟新頁,透過研究黑洞天文物理,在基礎科學層面上檢驗廣義相對論。從理論模型可發現,M87黑洞周圍的物質狀態在2017年和2018年間應有所變動。因此,國立臺灣師範大學物理學系助理教授卜宏毅強調,對M87黑洞的重複觀測之重要性,從影像的差異,進一步對其周圍電漿和磁場結構進行更精確的統計研究,從廣義相對論效應中解開複雜的天文物理。
 
格陵蘭望遠鏡。圖片來源:中研院天文所
 
光環最亮處偏移30度 有助推測黑洞自轉軸方向
 
2018年的資料分析運用了8種獨立的成像和模擬技術,所觀測到的M87黑洞影像與2017年非常相似,有一個相同大小的亮環,中心區域較暗,環的一側較亮。
 
美國加州噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)博士後研究員約克(Nitika Yadlapalli Yurk)說明,黑洞的顯著特性之一,是其半徑僅取決於其質量。由於M87黑洞不會快速吸積物質(這會增加其質量),廣義相對論預測環的直徑應保持不變。而2017到2018年觀測影像所呈現的直徑大小穩定性,確認了廣義相對論對黑洞的預測,相當令人興奮。
 
雖然黑洞暗影的大小沒有改變,但環的最亮位置在2018年卻發生了顯著變化——明亮區域逆時針旋轉約30度,位於環的右下方約5點鐘位置。儘管2018年EHT尚無法觀測到黑洞噴流,但由環周圍最亮處所推測的黑洞自轉軸,與其他波段觀測到的噴流軸更一致。
 
中研院天文所博士後研究紀柏特(Britt Jeter)表示,過往對M87黑洞的觀測已表明暗影結構每年都有變化,但精度較低。「環周圍那些混亂的吸積盤發射光,將使環的最亮處搖擺不定;我們隨時間觀察到的光影搖擺程度,可用來測試黑洞周圍磁場和電漿環境的理論。」
 
格陵蘭望遠鏡加持 開拓黑洞天文學新疆界
 
格陵蘭望遠鏡是一個由臺灣主導的國際合作計畫,於2010年正式啟動,並於2018年建造完成5個月後即加入EHT計畫。中研院天文所研究員暨GLT計畫主持人松下聰樹強調,格陵蘭望遠鏡位於北緯76度的北極圈內,為世界最北端的電波望遠鏡,顯著提升了EHT陣列的影像保真度。此外,墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope)也大幅提升靈敏度,首次以完整的50米口徑參與。EHT的觀測頻率約230 GHz,2017年僅有2個頻帶,2018年更升級到以4個頻帶進行觀測。
 
使用改善後的望遠鏡陣列進行重複觀測,對於證明研究發現的穩健性至關重要。西班牙安達盧西亞天文物理研究所(Instituto de Astrofísica de Andalucía, IAA-CSIC)博士生達哈雷(Rohan Dahale)表示,格陵蘭望遠鏡的加入,填補了這個口徑如同地球大小的望遠鏡之關鍵缺口,有助開拓黑洞天文學的新疆界。
 
國立中山大學物理系副教授郭政育認為,格陵蘭望遠鏡對揭開M87黑洞的秘密開始扮演重要角色,鼓勵更多年輕世代加入團隊。中研院天文所研究員陳明堂表示,此論文是臺灣對基礎科學研究做出的獨特貢獻:「格陵蘭望遠鏡未來將以更高頻率進行觀測,帶領科學家們揭示黑洞暗影中最難以捉摸的光子環,為黑洞天文物理取得突破性成就。」
 
EHT團隊在2021年3月公布M87黑洞的偏振光影像(左圖)與理論模型(右圖)的比較。其中左圖的條紋代表光的偏振方向。圖片來源:中研院
 
發表論文:
 
The Event Horizon Telescope Collaboration, The persistent shadow of the supermassive black hole of M87 I. Observations, calibration, imaging, and analysis, Astronomy & Astrophysics, January 18, 2024